基于单片机的红外发射和接受装置的设计

一、设计任务与设计要求 (2)

1.1设计任务 (2)

1.2设计要求 (2)

二、设计的目的意义和主要功能 (2)

2.1设计的目的意义 (2)

2.2主要功能 (2)

三、设计方案 (2)

3.1总体方案 (2)

3.2工作原理 (3)

四、系统硬件设计 (5)

4.1红外发射硬件设计 (5)

4.2红外接收硬件设计 (8)

五、系统软件设计 (9)

5.1发射模块 (10)

5.2接收模块 (11)

5.3调试 (12)

六、心得体会 (13)

参考文献 .......................................... 错误！未定义书签。附图.1 发射接收模块原理图和PCB图 (14)

附图.2 发射接收模块仿真电路图 (15)

附录.3 原件清单 ................................... 错误！未定义书签。

一、设计任务与设计要求

1.1设计任务

利用单片机、红外线发射管和一体化接收头以及键盘接口和显示接口电路实现数据的收发。

1.2设计要求

1. 应用STC89C52单片机设计简单红外收发器；

2. 选用红外发射、红外接收器，红外发射；

二、设计的目的意义和主要功能

2.1 设计的目的和意义

训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行单片机应用技术和开发工作,掌握单片机程序设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。

简单红外收发器是在红外遥控的基础上，利用红外线进行点对点的数据通信装置。目前，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。它是把红外线作为载体的遥控方式。红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有结构简单、制作方便、成本低廉、抗干扰能力强、信息传输可靠、易实现，同时，由于采用红外线收发器件时，工作电压低、功耗低、外围电路简单等优点，因此，被诸多电子设备，特别是家用电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。

2.2 主要功能

1.红外线传输，实现较长距离（10M）的数据收发；

2.实现发送数据的现实和接收到的数据进行显示。

三、设计方案

3.1 总体方案

按送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。红外接收模块普照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统主要由发射模块与接

收模块两部分组成。发送模块先由键盘操作键值，以二进制信号的形式，传送给单片机，然后单片机将待发遍采用价格便宜，性能可靠的一体化红外接收头(如HS0038，它接收红外信号频率为38KHz ，周期约为26us)接收红外信号，它同时对信号进行放大、检波、整形，得到TTL 电平的编码信号，再传送给单片机，经单片机解码并由液晶1602显示接收到的数据。系统的构成框图如图.1。

图.1 红外收发器系统的构成框图

3.2 工作原理

3.2.1 二进制的编码

本设计系统采用模拟兼容NEC 的uPD6121G 芯片发射码格式的芯片组成发射电路的编码原理。采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms 、间隔0.56ms 、周期为1.125ms 的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms 、间隔1.685ms 、周期为2.25ms 的组合表示二进制的“1”，其波形如图2所示。

3.2.2 二进制的调制

二进制信号的调制仍由发送单片机来完成，它把编码后的二进制信号调制成频率为38KHz 的间断脉冲串，相当于用二进制信号的编码乘以频率为38KHz 的脉冲信号得到的间断脉冲串，即是调制后用于红外发射二极管发送的信号。如图3所示，A 是二进制信号的编码波形，B 是频率为38KHz(周期为26us )的连续脉冲

串，c 是经调制后的间断脉冲串(相当于C=A ×B)，用于红外发射二极管发送的波形。图3中，待发送的二进制数据为101。

3.2.3 二进制的解调

二进制信号的解调由一体化红外接收头HS0038来完成，它把收到的红外信号(图4中波形D ，也是图3中波形C)经内部处理并解调复原，输出图4中波形E(正好是对图3中波形A 的取反)，HS0038的解调可理解为：在输入有脉冲串时，输出端输出低电平，否则输出高电平。一体化红外接收头HS0038的外部结构如图5所示，1脚GND 接电源地，2脚VCC 接+5V ，3脚OUT 为数据输出端(TTL 电平，反相输出)，可直接与单片机相联。

3.2.4 二进制的解码

二进制信号的解码由接收单片机来完成，它把红外接收头送来的二进制编码波形通过解码，还原出发送端发送的数据。如图4，把波形E 解码还原成数据信息101。

图5 HS0038发射波形

3.2.5 基于字节传输的红外收发数据格式

UPD6121G产生的遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。芯片厂商把用户识别码固定为十六进制的一组数；后16位为8位操作码（功能码）及其反码。UPD6121G最多额128种不同组合的编码。遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45～63ms之间，图4为发射波形图。当一个键按下超过36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲,

这108ms发射代码由一个起始码（9ms）,一个结果码（4.5ms）,低8位地址码（9ms~18ms）,高8位地址码（9ms~18ms）,8位数据码（9ms~18ms）和这8位数据的反码（9ms~18ms）组成。如果键按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连发代码）将仅由起始码（9ms）和结束码（2.5ms）组成。

如图6所示。

图6 遥控信号的周期性波形

四、系统硬件设计

4.1 红外发射硬件设计

单片机发送电路主要由操作键盘、单片机和红外发射电路三部分组成，单片机

主要完成键盘扫描的管理，二进制信号的编码、调制，单片机选用AT89S52，其中P3.0用于输出方波信号，控制红外发射电路的工作。用P1引脚组成4x4矩阵键盘，按键产生相应的控制命令，通过AT89S52的P3.0输出二进制信号编码给红外发射电路，二进制信息码外部载波38KHz的红外方波信号，由P3.0红外发射管发射。原理图见附图1

4.1.1 AT89S52单片机的最小系统

ATMEL 公司生产的AT89S52单片机，它是AT89C52/51的升级版，其硬件资源完全兼容。所不同的是AT89S52增加了在线调试功能，即程序可以通过JTAG 接口下载，调试和固化。因而，该芯片的开发不再需要昂贵的硬件仿真器，可实现实时仿真，所有的资源都可以为用户所使用，可以在线编程或在系统编程，更进一步地说，在线编程或在系统编程是开发的系统具有了通过网络进行升级、维护的潜在功能。

AT89S52的性能及特点：

●与MCS-51系列单片机兼容；

●片内有4K（8K）可在线重复编程的快速内

存可擦写存储器（Flash Memory）；

●存储器可循环写入/擦写10000次以上；

●存储器数据保存时间为10年以上；

●宽工作电压范围：Vcc可为2.7V 6.5V；

●全静态工作：可从0Hz 24MHz；

●程序存储器具有三级加密保护；

●128个字节（256字节）的内部RAM；

●32条可编程I/O口线；

●三个16位定时器/计数器；

●中断结构具有5级（6级）中断源和两个

优下级；

●可编程全双工串行通讯；

●空闲维持低功耗和掉电状态保护存储数据；

具有JTAG 接口，可方便的在线编程或在系统编程。 4.1.2振荡电路

AT89S52内部有一个用于构成片内振荡器的高增益反相放大器, 振荡器产生的信号送到CPU, 作为CPU 的时钟信号,驱动CPU 产生执行指令功能的机器周期。引脚XTAL1和XTAL2是此放大器的输人端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器, 振荡电路的连接如图所示图8所

示，外接石英晶体或陶瓷谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路, 接在放大器的反馈回路中。对外接电容C1和C2的值虽然没有严格的要求, 但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振圈内部振荡的接法的快速性和温度稳定性。外接石英晶体时, C1和C2一般取（40pF 10pF ），外接的是石英晶体, 所以，C1、C2选择标称值33pF 。

4.1.3 复位电路

单片机复位是使CPU 和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态, 并从这个状态开始工作。无论是在单片机刚开始接上电源时, 还是断电后或者发生故障后都要复位。89系列单片机的复位信号是从RST 引脚输人到芯片的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时, 且振荡器稳定后, 如果RST 引脚有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）, 则CPU 就可响应并且将系统复位。复位分为手动复位和上电复位。本设计系统采用的是手动复

位, 当按下按钮时, 即使人的动作很快,

, 手动复位能确保复位时间要求。复位电路连接如图9。

4.1.4 键盘接口电路

键盘的接口原理：键盘的行线连接到单片机P0口的P0.0 P0.3，列线连接到P2口的P2.0 P2.3，组成4x4矩阵键盘。键盘接口电路如图10。

4.1.5 红外发射器件 4.1.

5.1 红外线特性

红外辐射分为四个区域：近红外（λ=0.76-3um ）；中红外（λ=3-40um ）；远红外（λ=40-1000um ），经查阅相关资料，本设计系统采用红外λ=（0.94-0.95）um=（940-950）nm 。

4.2.

5.2 红外发射二极管（SE304）

红外光束编码收发系统的有效作用距离是由馈送进发射LED 的电流峰值所决定的，电流平均值越小，其功率越高。如下图11，改变R2的值，可以改变发射的距离。对下面的电路， SE304红外发射管特性：

耗损功率：D P =100mW ； 正向电流：F I =50mA ； 反向电压：R V =5V; 结温：Tj=100 C ； 存放温度：Tstg=-40C+100C 。

图11.红外发射二极管电路

4.2 红外接收硬件设计

红外接收电路主要由AT89S52单片机、红外接收头和显示部分组成，发射端发射的红外信号经过接受处理，传给单片机。接收电路使用一体化的红外接装置，将发送的信号接收，放大、检波、整形，由P32外中断0转化为让单片机识别的TTL 信号，经单片机解码由液晶1602显示。原理图见附图2。

4.2.1 红外接收头

HS0038一体化红外接收头，接收频率为

38kHz ，管脚依次为：如右图12。连接时，在VCC 与GND

电容有助于改进信号质量。其可以用于编码接收，也可以用于低码率的数据通讯。

其中，它的圆形面为红外接收面，它与SE304

红外发射管的有效收发直射距离可达35M.

HS0038 信号电平:

38kHz 红外发射接收到

时：OUT 低电平输出

38kHz 红外发射接收不到时：OUT 高电平输出

4.2.2 液晶1602显示部分

1602字符型液晶是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，能分两行显示，它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，使整个发送和接受过程更直观。 如图13所示。

五、系统软件设计

系统软件可分为键盘管理、显示管理、二进制编码、解码管理，显示管理等五部分。键盘管理，显示管理和二进制编码属于发射模块编程，另外两个为接收

模块编程。

5.1 发射模块

5.1.1键盘管理：

采用逐行扫描法。先把行线置零，然后扫描列线，如果不是初始状态，说明有键按下，然后在有列线按下的条件下，逐个扫描行线。

5.1.2 编码管理：

流程图见图14。具体的编码原理见（3.2.1和3.2.2）

图14.发射流程图

5.2接收模块

接收主流程图见图15。二进制数码的解调、解码、以及基于字节的传输见3.2.3-3.2.5.显示部分软件设计，由单片机的控制液晶显示接受的信号译码。

图15.接受头解码流程图

5.3调试

5.3.1硬件调试

采用静态调试的方法从常见的硬件故障：逻辑错误；元器件失效；可靠性差；等方面进行调试。

5.3.2软件调试

先独立后联机，先分块后组合，先单步后连续的方法，进行计算机程序的调试、I/O处理程序的调试、综合调试，针对常见的软件错误：程序失控；中断错误；输入/输出错误；结果不正确等进行调试.

六、心得体会

单片机课程设计，是针对单片机知识的验证，可以帮助我们理解巩固所学的知识，激发我们对单片机课程的兴趣，更锻炼我们独立思考，开拓创新的能力。

7月5日至7月18日，我们将进行为期两周的单片机课程设计。今天，已离结束只剩下三天时间了，回想这几天的制作和调试过程，感受颇多！

我设计的课程题目是：简单的红外收发器。第一天接到任务之后，就开始分析，琢磨，构思。上网搜索有用的信息资料，了解红外收发的原理。翻阅、搜索的结果，令我更加的模糊，感觉从课本上学的那点知识来设计这个课题，似乎远远不够！要完成这个课题，需要掌握的知识相当的多，要了解红外线的特性，红外发光二极管的特性，红外接收器件的原理等准备工作。开始动手之前，需要明白这两个问题：一个数据怎样被红外线发送；又怎样被红外接收器件接收。查阅了相关资料后，才明白（见前面的原理分析）。这两个问题虽是明白了，但是这只是一个总体的框架而已。具体怎么做？又是一个问题。还有接下来的硬件连接，软件编程。硬件连接有时想当然，而软件设计分为四个部分：按键、编码、解码、显示。这四个部分之间怎样衔接，每个部分又是怎样进行的？这又是问题！……种种的问题都出来了，使我无从下手，感觉设计完成渺茫。

虽然是如此，但是我没有放弃的念头也没我有抱着胡混弄的态度去完成任务。我想，即使不能够满意的完成，但是只要认真对待，亲手去做，记录过程中每一环节的心得，相信也会把单片机这门课程做学的知识得以进一步理解与巩固。

最后，通过本次课程设计，使我深深的体会到这次设计不仅仅是单纯的一个单片机的应用,而是多学科的综合设计，要想满意的完成，不光是靠学好单片机这一门课就可以的.在这个课程的设计过程中,我充分体会到了要全面发展,各个学科都要里了解、甚至学好,知识的全面性很重要.以后在这方面多努力！

附图.1 发射接收模块原理图

PCB版图

附图.2 发射接收模块仿真电路图